Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Viaggiare su auto e scooter, accendere le luci di casa consumando idrogeno e scaricando acqua nell’atmosfera. L’energia pulita è dietro l’angolo, grazie alle celle a combustibile (fuel cells). La loro tecnologia fu scoperta nel 1839, ma mai come oggi sentiamo vicino il loro esordio nella vita quotidiana. E non solo all’estero: in Italia l’Enea (Ente per le nuove tecnologie, l’energia e l’ambiente) sta studiando un progetto per produrre idrogeno su scala industriale sfruttando il calore del sole. Perché tanto interesse? Parlano le cifre: basti dire che la nostra auto produce ogni anno quattro volte il suo peso in CO2: un’utilitaria da una tonnellata ne emette 4 di CO2. Con effetti devastanti sul clima e sulla salute: secondo l’Unione Europea, considerando i costi sociali delle malattie respiratorie provocate dall’inquinamento da benzina, si dovrebbero aggiungere al prezzo del carburante 0,60 * al litro. E non dimentichiamo che l’Italia importa dall’estero l’85% dell’energia che consuma. «Tutte le tecnologie attuali di produzione dell’energia sono al limite delle loro potenzialità» dice Raffaele Vellone, responsabile del progetto Idrogeno dell’Enea. «In questo secolo la popolazione mondiale forse raddoppierà, e certamente aumenteranno i consumi di energia e l’inquinamento. è necessario orientarsi su tecnologie pulite e sull’idrogeno, che peraltro non è una fonte di energia, ma un vettore energetico». L’idrogeno non libera né l’anidride carbonica che surriscalda il pianeta; né i fumi e le polveri che soffocano i centri urbani minacciando la nostra salute. Le emissioni da celle a idrogeno dipendono dal tipo di cella usata e comunque si tratta solo di bassissime percentuali di ossidi e di acqua pura, distillata, che può essere bevuta con l’aggiunta di qualche sale, come già fecero gli astronauti nello spazio, dove le celle a idrogeno furono sperimentate fin dai tempi della missione spaziale Gemini V nel 1965. Al momento sono allo studio celle a combustibile così piccole da poter essere usate come batterie per i telefoni cellulari, e, pure, celle così grandi, dell’ordine di qualche centinaia di kW (kilowatt: un appartamento ne consuma fino a 3 all’ora). In Italia, presso il polo tecnologico della Bicocca a Milano, grazie a Enea, Azienda Energetica Municipale (Aem) e Ansaldo è stato realizzato nel 1988 un impianto da 1,3 MW (megawatt, pari a mille kW) per la produzione di energia elettrica e calore: ha funzionato fino al 1998 dimostrando le buone potenzialità della tecnologia. Si prevede a breve un suo riutilizzo per sperimentare vari tipi di celle. Nel 2001 al Museo della Scienza e della Tecnica di Milano è stato realizzato dall’Ansaldo un impianto da 200 kW per il riscaldamento e le utenze elettriche del museo. Una pila al contrario «L’idrogeno sarà introdotto con gradualità» sottolinea Vellone. «Occorre ancora una decina d’anni di sperimentazione prima di introdurre sistemi affidabili e su cui la manutenzione sia semplice. Si stanno studiando tutte le componenti d’impianto, dai materiali alle valvole, in modo che non riservino sorprese di alcun tipo». Il sogno di un’economia basata sullo sfruttamento dell’idrogeno per produrre elettricità è nei cassetti fin dal lontano 1839, quando il fisico inglese William Robert Grove ideò la prima cella a combustibile sfruttando - al contrario – il processo dell’elettrolisi: mentre quest’ultima, inviando una leggera corrente elettrica in acqua, riesce a dividere le molecole dell’acqua nei loro costituenti fondamentali (atomi di idrogeno e di ossigeno), in una cella a combustibile idrogeno e ossigeno si combinano insieme e si ottiene elettricità, acqua e calore. In pratica una cella a combustibile è come una pila: c’è un polo positivo (anodo), e un polo negativo (catodo) tenuti separati da un liquido o una membrana apposita, l’elettrolita (vedi tavola a pag. 126). Grove scoprì questo principio utilizzando come combustibile l’idrogeno (isolato per la prima volta da Henry Cavendish nel 1766), come ossidante l’ossigeno e come elettrolita acido solforico. Un procedimento costoso e poco praticabile. SI SVILUPPARONO CON L’AUSTERITY In seguito molti scienziati hanno tentato di trovare i materiali più adatti alle celle a combustibile, ma solo con la crisi petrolifera dei primi anni ’70 le ricerche hanno avuto ricadute pratiche. Oggi esistono diversi tipi di celle, classificate in base all’elettrolita utilizzato (celle ad elettrolita polimerico, ad acido fosforico, a carbonati fusi, ad ossidi solidi) che condiziona la temperatura di funzionamento. Le celle ad elettrolita polimerico per esempio, hanno bisogno delle temperature più basse, fra i 70 e i 100° C, e sono usate per la trazione e la generazione di elettricità e calore in impianti di piccola taglia (fino a 250 kW); le celle ad ossidi solidi, invece, operano a circa 900-1000° C, e sono promettenti per la generazione di elettricità e calore in impianti di grandi dimensioni (decine di megawatt). Nonostante la relativa semplicità del principio di base, molti fattori continuano a limitare la diffusione delle celle a combustibile. Innanzitutto, il problema di produrre l’idrogeno: questo elemento costituisce i due terzi degli atomi del nostro pianeta, già il romanziere Jules Verne aveva immaginato nell’800 la possibilità di utilizzarlo come fonte di energia ricavandolo dall’acqua. Ma per separare l’idrogeno dal suo stretto legame con l’ossigeno nell’acqua bisogna ricorrere all’elettrolisi che è antieconomica: richiede temperature elevatissime e grande quantità di energia elettrica. Quindi, energia elettrica per produrre idrogeno, usato a sua volta nelle celle per produrre energia elettrica: un circolo vizioso. IDROGENO DAL PETROLIO «Si sta lavorando sull’efficienza degli idrolizzatori» aggiunge l’ingegner Vellone «per diminuire la quantità d’energia elettrica necessaria. Al momento le uniche sorgenti da cui si riesce con una certa facilità ad estrarre idrogeno sono gli idrocarburi, cioè combustibili tradizionali». E allora siamo al punto di partenza? No. Quando l’idrogeno è ottenuto dagli idrocarburi, come il petrolio, viene emessa una certa quantità di gas inquinanti, ma poiché le celle producono energia da un processo chimico che ha la caratteristica di essere reversibile e diretto, operano con efficienza due o tre volte maggiore: a parità di energia prodotta, le emissioni sono tre volte di meno di quelle di una centrale termoelettrica tradizionale. Prendendo come esempio un impianto che produce energia elettrica per 200 kW (sufficiente ad alimentare per un’ora quasi 70 appartamenti) si stima che l’utilizzo delle celle a combustibile porti ad un risparmio, in termini di emissioni di CO2, di circa 1000 tonnellate all’anno, rispetto a un motore a gas della stessa taglia. L’altro vantaggio è che si tratta di impianti modulari, che possono trovare applicazioni sia di pochi kW che di decine di megawatt, con tempi di costruzione ridotti. Ma l’idrogeno è pericoloso oppure no? «Problemi sostanziali in realtà non ce ne sono» rassicura Vellone. «L’idrogeno è molto meno pericoloso di GPL, metano o benzina. L’idrogeno è una molecola piccola, fugace, si diffonde rapidamente e dirigendosi verso l’alto. Molte case automobilistiche stanno toccando con mano la sicurezza dell’idrogeno: è infiammabile, ma non si concentra creando masse critiche e pericolose come invece accade con altri combustibili». In concreto, l’idrogeno è 52 volte più volatile della benzina e per infiammarsi necessita di una concentrazione quadrupla rispetto a quella della benzina. E in ogni caso i serbatoi per l’idrogeno sono altamente resistenti agli impatti, essendo costruiti in fibre di carbonio in grado di resistere a pressioni enormi. SULLE STRADE NEL 2010 Secondo uno studio della EscoVale Consultancy Services, nelle applicazioni di generazione di elettricità e calore a livello mondiale si arriverà a 11.000 MW annui nel 2020, grazie soprattutto alle celle ad alta temperatura. Le celle a bassa temperatura avranno un ruolo chiave invece nel breve-medio termine, cioè da subito. Il principale ostacolo alla penetrazione nel mercato di impianti a celle è però ancora rappresentato dal costo di produzione. «Secondo i progetti internazionali, entro il 2010 buona parte della flotta di trasporto pubblico di molte città europee e di generatori ad uso civile saranno alimentati a idrogeno» dice Vellone. «Per ora è difficile parlare di costi: si tratta ancora di prototipi. Ma sono convinto che, se sapessimo quanto ci costano davvero le tecnologie tradizionali in termini di inquinamento, saremmo tutti disponibili a pagare di più per le tecnologie pulite». BASTERà CAMBIARE SERBATOIO Il bando di prova più atteso (soprattutto sull’ambiente) è quello dei trasporti: fin dagli anni ’70 Mercedes-Benz, Bmw, Mazda, Ford, General Motors, Daimler Chrysler, Fiat sono impegnate, e con notevoli risultati, sull’idrogeno. Al momento vi sono due approcci: celle a idrogeno che alimentano un motore elettrico oppure idrogeno in un motore a scoppio. Nel primo caso l’idrogeno gassoso contenuto in un piccolo serbatoio raggiunge la cella che aziona un motore elettrico. Dopo circa 100 km di autonomia bisogna sostituire le bombole. Grazie all’elevata efficienza delle celle, i rendimenti previsti per i veicoli con celle a combustibile sono sensibilmente superiori a quelli dei motori a combustione interna (vedi scheda a pag. 125). I costi però sono ancora proibitivi: oggi si parla di 4.000 */kW (un’utilitaria da 40 kW costerebbe 160mila euro, ma stiamo parlando di prototipi e non di produzione industriale), anche se si prevede una rapida discesa. Nelle auto con motore a scoppio, l’idrogeno è stivato a bordo delle vetture in forma liquida, in un apposito serbatoio che viene mantenuto alla temperatura di ”252° C utilizzando per il raffreddamento una parte dello stesso idrogeno. Questa soluzione prevede però che vi siano distributori di idrogeno lungo le strade. In Europa ne esiste solo uno all’aeroporto di Monaco e ne verrà aperto uno a Milano entro la fine del 2003. Non si tratta di uno scenario di breve periodo: risolti alcuni problemi tecnici (soprattutto la creazione delle infrastrutture per la distribuzione dell’idrogeno), sarà possibile rendere pulito il parco circolante adattando i veicoli. Per trasformare una vettura dall’alimentazione a benzina a quella a idrogeno, occorre sostituire il serbatoio che, per mantenere l’idrogeno a bassa temperatura (-250 ° C) è realizzato con 60 strati di alluminio e teflon; inoltre va modificata la camera di combustione. Al progetto sta lavorando la Bmw. UN MOTORE ALTO 23 cm «Le ricadute sul mercato saranno interessanti» sottolinea Vellone. «Quando società municipalizzate acquisteranno una certa quantità di prototipi, ciò consentirà di provare i veicoli sul campo e di abbassare i costi grazie ad economie di scala». A settembre la General Motors ha presentato la prima auto al mondo che concentra in uno spazio incredibilmente piccolo (23 cm di spessore) la tecnologia delle celle ad idrogeno con un motore elettrico. è la ”Hy-wire”, che applica a sterzo, freni e acceleratore la tecnologia by-wire cioè con comandi elettronici e non meccanici, ed è frutto di un progetto congiunto che ha carrozzeria made in Italy realizzata dalla Bertone di Torino; telaio e integrazione di componenti meccaniche ed elettriche di mano General Motors; sistema delle celle pensato dal centro Opel di Magonza-Kastel, in Germania, e tecnologia by-wire svedese Skf Group. Al posto del volante c’è una cloche; non ci sono cruscotto né pedali né vano motore. Le celle a combustibile alimentano quattro motori elettrici, montati direttamente sui mozzi delle ruote. Gli stessi motori sostituiscono i freni, invertendosi in generatori di resistenza per rallentare. CENTRALE ELETTRICA MOBILE La Aprilia ha realizzato poi il primo prototipo di ciclomotore a celle a combustibile, che pesa 6 kg in meno ed ha un’autonomia doppia della bicicletta a batteria: può percorrere 75 km con 2,2 litri di idrogeno contenuto in una bombola. L’automobile a idrogeno potrebbe diventare una centrale elettrica mobile, con una capacità di 20 kW, circa 7 volte il fabbisogno di un appartamento. Se quando è parcheggiata in garage (circa il 96% del tempo) l’auto fosse collegata alla rete elettrica principale di casa, fornendo così elettricità, il guadagno ricavato vendendo energia alle rete elettrica potrebbe aiutare a sostenere il costo d’acquisto del veicolo. Se anche solo il 25% degli automobilisti usasse i propri veicoli come centrali elettriche per vendere energia alle rete, le centrali elettriche tradizionali potrebbero essere eliminate del tutto. Una prospettiva davvero allettante. Silvana Kühtz

SILVANA KüHTZ